QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
Die vorliegende Anmeldung ist eine „Continuation-in-part” (CIP) der am 28. Januar 2015 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/607,933, welche eine CIP der am 28. August 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/471,834 ist, welche wiederum eine CIP der am 15. August 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/460,511 ist, welche wiederum eine CIP der am 1. April 2014 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/242,429 ist, welche wiederum eine CIP der am 23. Dezember 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/138,499 ist, welche wiederum eine CIP der am B. Juni 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/913,402 ist, welche wiederum eine CIP der am 6. Februar 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/760,699 ist, welche wiederum eine CIP der am 10. August 2012 eingereichten 13/572,071 ist, die alle in ihrer Gesamtheit durch Inbezugnahme mit aufgenommen sind.The present application is a continuation-in-part (CIP) of U.S. Patent Application Serial No. 14 / 607,933, filed on Jan. 28, 2015, which issued a CIP of US Patent Application Serial No. 14 filed on Aug. 28, 2014. No. 471,834, which in turn is a CIP of U.S. Patent Application Serial No. 14 / 460,511, filed August 15, 2014, which in turn is a CIP of U.S. Patent Application Serial No. 14 / 242,429, filed April 1, 2014, which is incorporated herein by reference CIP is U.S. Patent Application Serial No. 14 / 138,499, filed December 23, 2013, which in turn is a CIP of U.S. Patent Application Serial No. 13 / 913,402 filed on Jun. 8, 2013, which in turn is a CIP of Feb. 6, US Patent Application Serial No. 13 / 760,699 filed in 2013, which in turn is a CIP of 13 / 572,071 filed on Aug. 10, 2012, all of which are incorporated by reference in their entirety.
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrschichtige Stapelstrukturen, welche eine rote Farbe hoher Chroma bzw. Buntheit mit einer minimalen oder nicht wahrnehmbaren Farbverschiebung aufweisen, wenn sie elektromagnetischer Breitbandstrahlung ausgesetzt sind und aus unterschiedlichen Winkeln betrachtet werden.The present invention relates to multi-layered stacked structures which exhibit a red color of high chroma with minimal or imperceptible color shift when exposed to broadband electromagnetic radiation and viewed from different angles.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Pigmente aus mehrschichtigen Strukturen sind bekannt. Darüber hinaus sind auch Pigmente bekannt, die eine omnidirektionale strukturelle Farbe hoher Chroma bzw. Buntheit aufweisen oder bereitstellen. Jedoch erfordern solche Pigmente aus dem Stand der Technik ganze 39 dünne Filmschichten, um gewünschte Farbeigenschaften zu erhalten.Pigments of multilayer structures are known. In addition, pigments are also known which have or provide an omnidirectional structural color of high chroma. However, such prior art pigments require as many as 39 thin film layers to obtain desired color properties.
Es versteht sich, dass die mit der Herstellung von dünnschichtigen Mehrschichtpigmenten verbundenen Kosten proportional zur Anzahl der erforderlichen Schichten sind. Demzufolge können die Kosten im Zusammenhang mit der Herstellung von omnidirektionalen strukturellen Farben hoher Chroma unter Verwendung von mehrschichtigen Stapeln dielektrischer Materialien untragbar hoch sein. Deshalb wäre eine omnidirektionale strukturelle Farbe hoher Chroma wünschenswert, die eine minimale Anzahl von dünnen Filmschichten erfordert.It will be appreciated that the costs associated with producing thin multi-layered pigments are proportional to the number of layers required. As a result, the cost associated with producing high chroma omnidirectional structural colors using multilayer stacks of dielectric materials can be prohibitively high. Therefore, an omnidirectional structural color of high chroma that requires a minimum number of thin film layers would be desirable.
Zudem versteht sich, dass der Gestaltung von Pigmenten mit einer roten Farbe gegenüber Pigmenten anderer Farben, wie etwa blau, grün, etc., ein zusätzliches Hindernis entgegensteht. Insbesondere ist die Steuerung einer Winkelunabhängigkeit für rote Farbe schwierig, da dickere dielektrische Schichten erforderlich sind, was wiederum zu einer hoch-Harmonischen Gestaltung führt, das heißt, das Vorliegen der zweiten und möglicher dritter Harmonischen ist unvermeidlich. Auch ist der Farbtonraum der dunkelroten Farbe sehr eng. Demzufolge besitzt ein mehrschichtiger Stapel einer roten Farbe eine höhere Winkelvarianz.In addition, it is understood that the design of pigments having a red color over pigments of other colors, such as blue, green, etc., presents an additional obstacle. In particular, the control of an angle independence for red color is difficult because thicker dielectric layers are required, which in turn leads to a highly harmonic design, that is, the presence of the second and possible third harmonics is unavoidable. Also, the color space of the dark red color is very narrow. As a result, a multilayer stack of red color has a higher angular variance.
Angesichts des Vorstehenden wäre ein Pigment einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe hoher Chroma mit einer minimalen Anzahl an Schichten wünschenswert.In view of the above, a pigment of a red omnidirectional high chroma structural color having a minimum number of layers would be desirable.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Vorgesehen ist ein Pigment einer omnidirektionalen roten strukturellen Farbe hoher Chroma. Das Pigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe liegt in Form eines mehrschichtigen Stapels vor, der eine reflektierende Kernschicht, eine sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckende Halbleiterabsorberschicht und eine sich über der Halbleiterabsorberschicht erstreckende dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex aufweist. Der mehrschichtige Stapel reflektiert ein einzelnes Band sichtbaren Lichts mit einem Farbton zwischen 0–40° und vorzugsweise zwischen 10–30° in einem a*b*-Lab-Farbdiagramm. Darüber hinaus besitzt das einzelne Band sichtbaren Lichts eine Farbtonverschiebung von weniger als 30° im a*b*-Lab-Farbdiagramm, wenn es aus allen Winkeln zwischen 0–45° normal bzw. senkrecht zu einer äußeren Oberfläche des mehrschichtigen Stapels betrachtet wird, und stellt demzufolge eine für das menschliche Auge nicht wahrnehmbare Farbverschiebung bereit.A pigment of an omnidirectional red structural color of high chroma is envisaged. The pigment of an omnidirectional structural color is in the form of a multilayer stack having a reflective core layer, a semiconductor absorber layer extending over the reflective core layer, and a high refractive index dielectric layer extending over the semiconductor absorber layer. The multilayer stack reflects a single band of visible light with a hue between 0-40 ° and preferably between 10-30 ° in an a * b * Lab color chart. In addition, the single band of visible light has a hue shift of less than 30 ° in the a * b * Lab color chart when viewed from all angles between 0-45 ° normal to an outer surface of the multilayer stack, and thus provides a color shift not perceptible to the human eye.
Die reflektierende Kernschicht besitzt eine Dicke zwischen 50 und einschließlich 200 Nanometern (nm) und kann aus einem reflektierenden Metall wie etwa Aluminium (Al), Silber (Ag), Platin (Pt), Zinn (Sn), Kombinationen daraus und dergleichen hergestellt sein. Die reflektierende Kernschicht kann auch aus einem farbigen Metall wie etwa Gold (Au), Kupfer (Cu), Messing, Bronze und dergleichen hergestellt sein.The reflective core layer has a thickness between 50 and 200 nanometers inclusive (nm) and may be made of a reflective metal such as aluminum (Al), silver (Ag), platinum (Pt), tin (Sn), Combinations thereof and the like can be made. The reflective core layer may also be made of a colored metal such as gold (Au), copper (Cu), brass, bronze and the like.
Die Halbleiterabsorberschicht kann eine Dicke zwischen 5 und einschließlich 500 nm besitzen und aus solchen Materialien wie etwa amorphem Silizium (Si), Germanium (Ge) und Kombinationen daraus hergestellt sein. Die Dicke der dielektrischen Schicht mit hohem Brechungsindex ist größer als eine Dicke von 0,1 Viertelwelle (QW) und kleiner oder gleich 4 QW für eine Zielwellenlänge, wobei die Zielwellenlänge einen vordefinierten Farbton innerhalb der 0–40° im a*b*-Lab-Farbdiagramm besitzt. Die dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex kann aus einem dielektrischen Material wie etwa Zinksulfid (ZnS), Titandioxid (TiO2), Hafniumoxid (HfO2), Nioboxid (Nb2O5), Tantaloxid (Ta2O5) und Kombinationen daraus hergestellt sein.The semiconductor absorber layer may have a thickness between 5 and 500 nm inclusive and may be made of such materials as amorphous silicon (Si), germanium (Ge) and combinations thereof. The thickness of the high refractive index dielectric layer is greater than a 0.1 quarter-wave (QW) thickness and less than or equal to 4 QW for a target wavelength, where the target wavelength is a predefined hue within the 0-40 ° in the a * b * -lab Owns color chart. The high refractive index dielectric layer may be made of a dielectric material such as zinc sulfide (ZnS), titanium dioxide (TiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and combinations thereof ,
Die reflektierende Kernschicht und die Halbleiterabsorberschicht können trocken abgeschiedene Schichten sein, wohingegen die dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex eine nass abgeschiedene Schicht sein kann. Darüber hinaus kann die reflektierende Kernschicht eine zentrale reflektierende Kernschicht sein und die Halbleiterabsorberschicht kann ein Paar von Halbleiterabsorberschichten sein, die sich über gegenüberliegende Seiten der zentralen reflektierenden Kernschicht erstrecken, d. h. die zentrale reflektierende Kernschicht ist sandwichartig zwischen dem Paar von Halbleiterabsorberschichten angeordnet. Ferner kann die dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex ein Paar von Schichten mit hohem Brechungsindex derart sein, dass die zentrale reflektierende Kernschicht und das Paar von Halbleiterabsorberschichten sandwichartig zwischen dem Paar von dielektrischen Schichten mit hohem Brechungsindex angeordnet sind.The reflective core layer and the semiconductor absorber layer may be dry deposited layers, whereas the high refractive index dielectric layer may be a wet deposited layer. Moreover, the reflective core layer may be a central reflective core layer and the semiconductor absorber layer may be a pair of semiconductor absorber layers extending across opposite sides of the central reflective core layer, i. H. the central reflective core layer is sandwiched between the pair of semiconductor absorber layers. Further, the high refractive index dielectric layer may be a pair of high refractive index layers such that the central reflective core layer and the pair of semiconductor absorber layers are sandwiched between the pair of high refractive index dielectric layers.
Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen omnidirektionalen roten strukturellen Farbe hoher Chroma beinhaltet die Fertigung des mehrschichtigen Stapels durch Trockenabscheidung der reflektierenden Kernschicht und Trockenabscheidung der sich über der reflektierenden Kernschicht erstreckenden Halbleiterabsorberschicht. Dann wird die sich über der Halbleiterabsorberschicht erstreckende dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex nass darauf abgeschieden. Auf diese Weise wird ein Hybridfertigungsverfahren zur Herstellung einer omnidirektionalen roten strukturellen Farbe hoher Chroma verwendet, die für Pigmente, Beschichtungen und dergleichen verwendbar ist.One method of making such a high chroma omnidirectional red structural color involves fabrication of the multilayer stack by dry deposition of the reflective core layer and dry deposition of the semiconductor absorber layer extending over the reflective core layer. Then, the high refractive index dielectric layer extending over the semiconductor absorber layer is wet-deposited thereon. Thus, a hybrid manufacturing process is used to produce a high chroma omnidirectional red structural color useful for pigments, coatings and the like.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
1 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen strukturellen Farbe, der aus einer dielektrischen Schicht, einer selektiv absorbierenden Schicht (SAL) und einer Reflektorschicht hergestellt ist; 1 Figure 3 is a schematic representation of a multi-layer stack of omnidirectional structural paint made of a dielectric layer, a selective absorbing layer (SAL) and a reflector layer;
2A ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldpunktes von null oder nahe null innerhalb einer dielektrischen ZnS-Schicht, die elektromagnetischer Strahlung (EMR) mit einer Wellenlänge von 500 nm ausgesetzt ist; 2A is a schematic representation of zero or near zero electric field point within a ZnS dielectric layer exposed to 500 nm electromagnetic radiation (EMR);
2B ist eine graphische Darstellung des Absolutwerts des elektrischen Feldes im Quadrat (|E|2) über der Dicke der in 2A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht, wenn diese einer EMR mit Wellenlängen von 300, 400, 500, 600 und 700 nm ausgesetzt ist; 2 B is a plot of the absolute value of the electric field squared (| E | 2 ) versus the thickness of the in 2A shown ZnS dielectric layer when exposed to an EMR with wavelengths of 300, 400, 500, 600 and 700 nm;
3 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen Schicht, die sich über ein Substrat oder eine Reflektorschicht erstreckt und elektromagnetischer Strahlung mit einem Winkel θ relativ zu einer Normalenrichtung zu der äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht ausgesetzt ist; 3 Fig. 12 is a schematic representation of a dielectric layer extending over a substrate or reflector layer exposed to electromagnetic radiation at an angle θ relative to a normal direction to the outer surface of the dielectric layer;
4 ist eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht mit einer Cr-Absorberschicht, die bei dem elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht für einfallende EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm angeordnet ist; 4 Fig. 12 is a schematic diagram of a ZnS dielectric layer having a Cr absorber layer disposed at the zero or near zero electric field point within the ZnS incident dielectric film having a wavelength of 434 nm;
5 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel ohne eine Cr-Absorberschicht (z. B. 2A) und einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cr-Absorberschicht (z. B. 4), welche weißem Licht ausgesetzt sind; 5 Figure 3 is a graph of percent reflection versus reflected EMR wavelength for a multilayer stack without a Cr absorber layer (e.g. 2A ) and a multilayer stack with a Cr absorber layer (e.g. 4 ) exposed to white light;
6A ist eine graphische Darstellung von ersten Harmonischen (Grundschwingungen) und zweiten Harmonischen (erste Oberschwingungen), welche durch eine sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckende dielektrische ZnS-Schicht bereitgestellt werden (z. B. 2A); 6A is a plot of first harmonics and second harmonics (first harmonics) provided by a dielectric ZnS layer extending over an Al reflector layer (eg, FIG. 2A );
6B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt, sowie außerdem einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 6A gezeigten zweiten Harmonischen absorbiert werden; 6B Figure 12 is a graph of percent reflection versus reflected EMR wavelength for a multilayer stack having a ZnS dielectric layer extending over an Al reflector layer and also a Cr absorber layer disposed within the ZnS dielectric layer that in 6A be absorbed second harmonic shown;
6C ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel mit einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorschicht erstreckt, sowie außerdem einer Cr-Absorberschicht, die innerhalb der dielektrischen ZnS-Schicht derart angeordnet ist, dass die in 6A gezeigten ersten Harmonischen absorbiert werden; 6C Figure 12 is a graph of percent reflection versus reflected EMR wavelength for a multilayer stack having a ZnS dielectric layer extending over an Al reflector layer and also a Cr absorber layer disposed within the ZnS dielectric layer that in 6A absorbed first harmonic shown;
7A ist eine graphische Darstellung eines elektrischen Feldes im Quadrat über der Dicke der dielektrischen Schicht, welche die Winkelabhängigkeit des elektrischen Feldes einer Cr-Absorberschicht für eine Exposition gegenüber einfallendem Licht bei 0 und 45 Grad zeigt; 7A Figure 12 is a plot of an electric field squared versus thickness of the dielectric layer showing the angular dependence of the electric field of a Cr absorber layer for exposure to incident light at 0 and 45 degrees;
7B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption durch eine Cr-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge, wenn diese weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zur Normalen der äußeren Oberfläche ausgesetzt ist (wobei 0° die Normale zur Oberfläche ist); 7B Figure 4 is a plot of percent absorption through a Cr absorber layer versus the reflected EMR wavelength when exposed to white light at angles of 0 and 45 ° relative to the normal of the outer surface (where 0 ° is the normal to the surface);
8A ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einem hierin offenbarten Aspekt; 8A Fig. 12 is a schematic representation of a multilayer stack of red omnidirectional structural paint according to one aspect disclosed herein;
8B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption der in 8A gezeigten Cu-Absorberschicht über der reflektierten EMR-Wellenlänge für eine Exposition des in 8A gezeigten mehrschichtigen Stapels gegenüber weißem Licht bei Einfallswinkeln von 0 und 45°; 8B is a graph of the percent absorption of in 8A shown Cu absorber layer over the reflected EMR wavelength for exposure of in 8A shown multilayer stack against white light at angles of incidence of 0 and 45 °;
9 ist ein graphischer Vergleich zwischen Berechnungs-/Simulationsdaten und experimentellen Daten für die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für einen Konzeptnachweis eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe, der weißem Licht bei einem Einfallswinkel von 0° ausgesetzt ist; 9 Figure 3 is a graphical comparison of computation / simulation data and percent reflection versus reflected EMR wavelength experimental data for concept verification of a multilayer stack of red omnidirectional structural color exposed to white light at an incidence angle of 0 °;
10 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einem hierin offenbarten Aspekt; 10 Figure 3 is a plot of percent reflection versus wavelength for a multilayer stack of omnidirectional structural color in accordance with an aspect disclosed herein;
11 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für einen mehrschichtigen Stapel einer omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einem hierin offenbarten Aspekt; 11 Figure 3 is a plot of percent reflection versus wavelength for a multilayer stack of omnidirectional structural color in accordance with an aspect disclosed herein;
12 ist eine graphische Darstellung eines Abschnitts eines a*b*-Farbdiagramms unter Verwendung des CIELAB-(Lab)-Farbraums, in dem die Chroma und die Farbtonverschiebung einer herkömmlichen Farbe und einer aus Pigmenten gemäß einem hierin offenbarten Aspekt hergestellten Farbe verglichen werden (Probe (b)); 12 FIG. 12 is a graphical representation of a portion of an a * b * color chart using CIELAB (Lab) color space comparing the chroma and hue shift of a conventional color and a color prepared from pigments according to one aspect disclosed herein (sample (FIG. b));
13A ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einem anderen hierin offenbarten Aspekt; 13A Fig. 12 is a schematic representation of a multilayer stack of red omnidirectional structural paint according to another aspect disclosed herein;
13B ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Stapels einer roten omnidirektionalen strukturellen Farbe gemäß einem anderen hierin offenbarten Aspekt; 13B Fig. 12 is a schematic representation of a multilayer stack of red omnidirectional structural paint according to another aspect disclosed herein;
14A ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für den in 13A gezeigten Aspekt; 14A is a plot of percent reflection versus wavelength for the in 13A shown aspect;
14B ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für den in 13B gezeigten Aspekt; 14B is a plot of percent reflection versus wavelength for the in 13B shown aspect;
15 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Absorption über der Wellenlänge für den in 13A gezeigten Aspekt; 15 Figure 4 is a graph of percent absorbance versus wavelength for the in 13A shown aspect;
16 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge über dem Betrachtungswinkel für den in 13A gezeigten Aspekt; 16 is a plot of percent reflection versus wavelength versus viewing angle for the in 13A shown aspect;
17 ist eine graphische Darstellung der Chroma und des Farbtons über dem Betrachtungswinkel für den in 13A gezeigten Aspekt; 17 is a graphical representation of the chroma and hue over the viewing angle for the in 13A shown aspect;
18 ist eine graphische Darstellung einer durch die in den 13A und 13B gezeigten Aspekte reflektierten Farbe bezogen auf ein a*b*-Lab-Farbdiagramm; und 18 is a graphical representation of the in the 13A and 13B aspects reflected color related to an a * b * lab color chart; and
19 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Fertigung eines mehrschichtigen Stapels einer omnidirektionalen roten strukturellen Farbe gemäß einem hierin offenbarten Aspekt. 19 FIG. 10 is a schematic representation of a method of fabricating a multilayer stack of omnidirectional red structural paint according to one aspect disclosed herein. FIG.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Vorgesehen ist ein Pigment einer omnidirektionalen roten strukturellen Farbe hoher Chroma. Die omnidirektionale rote strukturelle Farbe hoher Chroma liegt in Form eines mehrschichtigen Stapels vor, der eine reflektierende Kernschicht, eine Halbleiterabsorberschicht und eine dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex aufweist. Die Halbleiterabsorberschicht erstreckt sich über der reflektierenden Kernschicht und ist in einigen Fällen unmittelbar in Anlage an der reflektierenden Kernschicht oder auf dieser angeordnet. Die dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex erstreckt sich über der Halbleiterabsorberschicht und befindet sich in einigen Fällen unmittelbar in Anlage an der Halbleiterabsorberschicht oder auf dieser. Der mehrschichtige Stapel kann ein symmetrischer Stapel sein, d. h. die reflektierende Kernschicht ist eine zentrale reflektierende Kernschicht, die durch ein Paar von Halbleiterabsorberschichten begrenzt wird, und das Paar von Halbleiterabsorberschichten wird durch ein Paar von dielektrischen Schichten mit hohem Brechungsindex begrenzt.A pigment of an omnidirectional red structural color of high chroma is envisaged. The omnidirectional red structural color of high chroma is in the form of a multilayer stack having a reflective core layer, a semiconductor absorber layer, and a high refractive index dielectric layer. The semiconductor absorber layer extends over the reflective core layer and, in some cases, is disposed directly against or on the reflective core layer. The high refractive index dielectric layer extends over the semiconductor absorber layer and, in some cases, directly abuts or is adjacent to the semiconductor absorber layer. The multilayer stack may be a symmetrical stack, i. H. the reflective core layer is a central reflective core layer bounded by a pair of semiconductor absorber layers, and the pair of semiconductor absorber layers is bounded by a pair of high refractive index dielectric layers.
Der mehrschichtige Stapel reflektiert ein einzelnes Band sichtbaren Lichts, das eine rote Farbe mit einem Farbton zwischen 0–40° und vorzugsweise zwischen 10–30° in einem a*b*-Lab-Farbdiagramm besitzt. Darüber hinaus ist die Farbtonverschiebung des einzelnen Bandes sichtbaren Lichts kleiner als 30°, vorzugsweise kleiner als 20° und stärker bevorzugt kleiner als 10° im a*b*-Lab-Farbdiagramm, wenn der mehrschichtige Stapel aus allen Winkeln zwischen 0–45° senkrecht zu einer äußeren Oberfläche davon betrachtet wird. Demzufolge kann die Farbtonverschiebung des einzelnen Bandes reflektierten sichtbaren Lichts innerhalb des Bereichs von 15–45° im a*b*-Lab-Farbdiagramm liegen.The multilayer stack reflects a single band of visible light that has a red color with a hue between 0-40 ° and preferably between 10-30 ° in an a * b * Lab color chart. In addition, the hue shift of the single band of visible light is less than 30 °, preferably less than 20 °, and more preferably less than 10 ° in the a * b * Lab color diagram, when the multilayer stack is perpendicular from all angles between 0-45 ° is considered to an outer surface thereof. As a result, the hue shift of the single band of reflected visible light can be within the range of 15-45 ° in the a * b * Lab color chart.
Die reflektierende Kernschicht kann eine trocken abgeschiedene Schicht mit einer Dicke zwischen 50 und einschließlich 200 nm sein. Der Begriff „trocken abgeschieden” bezieht sich auf Trockenabscheidungstechniken, wie etwa physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Techniken, einschließlich Elektronenstrahlabscheidung, Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmagestützte CVD und dergleichen. In einigen Fällen ist die reflektierende Kernschicht aus einem reflektierenden Metall wie etwa Al, Ag, Pt, Sn, Cr, Kombinationen daraus und dergleichen hergestellt. In anderen Fällen ist die reflektierende Kernschicht aus einem farbigen Metall wie etwa Au, Cu, Messing, Bronze, Kombinationen daraus und dergleichen hergestellt. Es versteht sich, dass sich die Begriffe „Messing” und „Bronze” auf Kupfer-Zink-Legierungen bzw. Kupfer-Zinn-Legierungen beziehen, welche Fachleuten bekannt sind.The reflective core layer may be a dry deposited layer having a thickness between 50 and 200 nm inclusive. The term "dry deposited" refers to dry deposition techniques, such as physical vapor deposition (PVD) techniques, including electron beam deposition, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced CVD, and the like. In some cases, the reflective core layer is made of a reflective metal such as Al, Ag, Pt, Sn, Cr, combinations thereof and the like. In other cases, the reflective core layer is made of a colored metal such as Au, Cu, brass, bronze, combinations thereof and the like. It is understood that the terms "brass" and "bronze" refer to copper-zinc alloys and copper-tin alloys, respectively, which are known to those skilled in the art.
Die Halbleiterabsorberschicht kann auch eine trocken abgeschiedene Schicht sein, die auf der reflektierenden Kernschicht abgeschieden wird. Alternativ kann die reflektierende Kernschicht auf der Halbleiterabsorberschicht abgeschieden werden. Die Halbleiterabsorberschicht kann eine Dicke zwischen 5 und einschließlich 500 nm besitzen und kann aus einem Halbleitermaterial wie etwa amorphem Silizium, Germanium, Kombinationen daraus und dergleichen hergestellt sein.The semiconductor absorber layer may also be a dry deposited layer deposited on the reflective core layer. Alternatively, the reflective core layer may be deposited on the semiconductor absorber layer. The semiconductor absorber layer may have a thickness of between 5 and 500 nm inclusive, and may be made of a semiconductor material such as amorphous silicon, germanium, combinations thereof, and the like.
Die dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex kann eine nass abgeschiedene Schicht sein, wobei sich der Begriff „hoher Brechungsindex” auf einen Brechungsindex größer als 1,6 bezieht. Auch bezieht sich der Begriff „nass abgeschieden” auf Nassabscheidetechniken wie etwa Sol-Gel-Techniken, Rotationsbeschichtungstechniken, nasschemische Abscheidetechniken und dergleichen. Die dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex besitzt eine Dicke D, die der Relation 0,1 QW < D ≤ 4 QW gehorcht, wobei QW eine Viertelwellendicke für eine Zielwellenlänge ist, d. h. QW = λt/4, wobei λt eine reflektierte Zielwellenlänge oder gewünschte reflektierte Wellenlänge ist. Die Zielwellenlänge besitzt den vordefinierten Farbton innerhalb der 0–40° und vorzugsweise zwischen 10–30° im a*b*-Lab-Farbdiagramm. In einigen Fällen beträgt die Zielwellenlänge zwischen 600–700 Nanometern und die dielektrische Schicht ist aus einem dielektrischen Material wie etwa ZnS, TiO2, HfO2, Nb2O5, Ta2O5, Kombinationen daraus und dergleichen hergestellt.The high refractive index dielectric layer may be a wet deposited layer, where the term "high refractive index" refers to a refractive index greater than 1.6. Also, the term "wet-deposited" refers to wet-deposition techniques such as sol-gel techniques, spin-coating techniques, wet-chemical deposition techniques, and the like. The high refractive index dielectric layer has a thickness D that satisfies the relation 0.1 QW <D ≦ 4QW, where QW is a quarter-wave thickness for a target wavelength, ie, QW = λ t / 4, where λ t is a reflected target wavelength or desired reflected wavelength is. The target wavelength has the predefined hue within the 0-40 ° and preferably between 10-30 ° in the a * b * Lab color chart. In some cases, the target wavelength is between 600-700 nanometers and the dielectric layer is made of a dielectric material such as ZnS, TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , combinations thereof and the like.
Die Gesamtdicke des mehrschichtigen Stapels kann kleiner als 3 Mikrometer, vorzugsweise kleiner als 2 Mikrometer, stärker bevorzugt kleiner als 1,5 Mikrometer und noch stärker bevorzugt kleiner oder gleich 1,0 Mikrometer sein. Darüber hinaus kann der mehrschichtige Stapel kleiner oder gleich 9 Schichten insgesamt und vorzugsweise kleiner oder gleich 7 Schichten insgesamt und stärker bevorzugt kleiner oder gleich 5 Schichten insgesamt besitzen.The total thickness of the multilayer stack may be less than 3 microns, preferably less than 2 microns, more preferably less than 1.5 microns, and even more preferably less than or equal to 1.0 microns. In addition, the multilayer stack can be less than or equal to 9 layers in total and preferably less than or equal to 7 layers in total, and more preferably less than or equal to 5 layers in total.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Gestaltung gezeigt, in der eine untenliegende Reflektorschicht (RL) eine sich darüber erstreckende erste dielektrische Materialschicht DL1 und eine sich über der DL1-Schicht erstreckende selektiv absorbierende Schicht SAL aufweist. Darüber hinaus kann eine weitere DL1-Schicht vorgesehen sein und sich über der selektiv absorbierenden Schicht erstrecken oder auch nicht. In der Figur ist auch eine Darstellung gezeigt, wonach die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung durch die mehrschichtige Struktur entweder reflektiert oder selektiv absorbiert wird.Referring to 1 For example, a design is shown in which a bottom reflector layer (RL) has a first dielectric material layer DL 1 extending thereover and a selectively absorbing layer SAL extending over the DL 1 layer. In addition, another DL 1 layer may be provided and may or may not extend over the selectively absorbing layer. Also shown in the figure is a representation according to which the entire incident electromagnetic radiation is either reflected or selectively absorbed by the multilayered structure.
Eine solche in 1 veranschaulichte Gestaltung entspricht einem anderen Ansatz, der zur Gestaltung und Fertigung eines gewünschten mehrschichtigen Stapels verwendet wird. Insbesondere wird nachstehend eine Dicke eines Energiepunkts von null oder nahe null für eine dielektrische Schicht verwendet und erörtert.Such in 1 illustrated design corresponds to another approach that is used to design and manufacture a desired multilayer stack. In particular, a thickness of zero or near zero energy point is used and discussed below for a dielectric layer.
Beispielsweise ist 2A eine schematische Darstellung einer dielektrischen ZnS-Schicht, die sich über einer Al-Reflektorkernschicht erstreckt. Die dielektrische ZnS-Schicht besitzt eine Gesamtdicke von 143 nm, und für einfallende elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 500 nm liegt bei 77 nm ein Energiepunkt von null oder nahe null vor. Anders ausgedrückt, weist die dielektrische ZnS-Schicht in einem Abstand von 77 nm von der Al-Reflektorschicht für einfallende elektromagnetische Strahlung (EMR) mit einer Wellenlänge von 500 nm ein elektrisches Feld von null oder nahe null auf. Darüber hinaus sieht 2B eine graphische Darstellung des Energiefeldes über der dielektrischen ZnS-Schicht für eine Reihe von unterschiedlichen einfallenden EMR-Wellenlängen vor. Wie in dem Graphen gezeigt, besitzt die dielektrische Schicht bei einer Dicke von 77 nm ein elektrisches Feld von null für die Wellenlänge von 500 nm, jedoch für EMR-Wellenlängen von 300, 400, 600 und 700 nm ein von null verschiedenes elektrisches Feld bei der Dicke von 77 nm.For example 2A a schematic representation of a dielectric ZnS layer extending over an Al reflector core layer. The dielectric ZnS layer has a total thickness of 143 nm, and for incident electromagnetic radiation having a wavelength of 500 nm, 77 nm has an energy point of zero or near zero. In other words, the ZnS dielectric layer at a distance of 77 nm from the Al reflector layer for incident electromagnetic radiation (EMR) having a wavelength of 500 nm has an electric field of zero or near zero. In addition, looks 2 B provides a graphical representation of the energy field over the ZnS dielectric layer for a number of different incident EMR wavelengths. As shown in the graph, at a thickness of 77 nm, the dielectric layer has a zero electric field for the wavelength of 500 nm, but for EMR wavelengths of 300, 400, 600, and 700 nm has a non-zero electric field in the Thickness of 77 nm.
In Bezug auf die Berechnung eines elektrischen Feldpunktes von null oder nahe null veranschaulicht 3 eine dielektrische Schicht 4 mit einer Gesamtdicke ,D', einer inkrementellen Dicke ,d' und einem Brechungsindex ,n' auf einem Substrat oder einer Kernschicht 2 mit einem Brechungsindex ns. Einfallendes Licht trifft auf der äußeren Oberfläche 5 der dielektrischen Schicht 4 mit einem Winkel θ relativ zu der Linie 6 auf, welche zu der äußeren Oberfläche 5 rechtwinklig ist, und wird von der äußeren Oberfläche 5 mit dem gleichen Winkel θ reflektiert. Einfallendes Licht wird durch die äußere Oberfläche 5 und in die dielektrische Schicht 4 mit einem Winkel θF relativ zu der Linie 6 übertragen und trifft mit einem Winkel θs auf der Oberfläche 3 der Substratschicht 2 auf.Illustrated with respect to the calculation of an electric field point of zero or near zero 3 a dielectric layer 4 with a total thickness, D ', an incremental thickness, d' and a refractive index, n 'on a substrate or core layer 2 with a refractive index n s . Incident light hits the outer surface 5 the dielectric layer 4 with an angle θ relative to the line 6 on which to the outer surface 5 is perpendicular, and is from the outer surface 5 reflected at the same angle θ. Incident light passes through the outer surface 5 and in the dielectric layer 4 with an angle θ F relative to the line 6 transmitted and hits with an angle θ s on the surface 3 the substrate layer 2 on.
Für eine einzelne dielektrische Schicht gilt θs = θF, und die Energie/das elektrische Feld (E) kann als E(z) ausgedrückt werden, wenn z = d. Aus den Maxwell-Gleichungen kann das elektrische Feld für eine s-Polarisation ausgedrückt werden als: E(d) = {u(z), 0, 0}exp(ikαy)|z=d (1) und für eine p-Polarisation als: wobei k = 2π / λ und λ eine zu reflektierende gewünschte Wellenlänge ist. Auch gilt α = nssinθs, wobei ,s' dem Substrat in 5 entspricht, und ε~(z) die Dielektrizitätskonstante der Schicht als eine Funktion von z ist. Demzufolge gilt |E(d|2 = |u(z|2exp(2ikαy)z=d (3) für eine s-Polarisation und für eine p-Polarisation.For a single dielectric layer, θ s = θ F , and the energy / electric field (E) can be expressed as E (z) when z = d. From the Maxwell equations, the electric field for s-polarization can be expressed as: e (d) = {u (z), 0, 0} exp (ikαy) | z = d (1) and for a p-polarization as: where k = 2π / λ and λ is a desired wavelength to be reflected. Also, α = n s sin θ s , where, s' is the substrate in 5 and ε ~ (z) is the dielectric constant of the layer as a function of z. Consequently, applies | E (d | 2 = | u (z | 2 exp (2ikαy) z = d (3) for a s polarization and for a p-polarization.
Es versteht sich, dass eine Variation des elektrischen Feldes entlang der Z-Richtung der dielektrischen Schicht 4 durch Berechnen der unbekannten Parameter u(z) und v(z) geschätzt werden kann, wobei gezeigt werden kann, dass: It is understood that a variation of the electric field along the Z-direction of the dielectric layer 4 can be estimated by calculating the unknown parameters u (z) and v (z), where it can be shown that:
Normalerweise ist ,i' die Quadratwurzel von –1. Unter Verwendung der Grenzbedingungen u|z=0 = 1, ν|z=0 = qs und der folgenden Relationen: qs = nscosθs für eine s-Polarisation (6) qs = ns/cosθs für eine p-Polarisation (7) q = ncosθF für eine s-Polarisation (8) q = n/cosθF für eine p-Polarisation (9) φ = k·n·dcos(θF) (10) können u(z) und v(z) ausgedrückt werden als: (u(z)|z=d = u|z=0cosφ + v|z=0( i / qsinφ) = cosφ + i.qs / qsinφ (11) und v(z)|z=d = iqu|z=0sinφ + v|z=0cosφ = iqsinφ + qscosφ (12) Normally, i 'is the square root of -1. Using the boundary conditions u | z = 0 = 1, ν | z = 0 = q s and the following relations: q s = n s cos θ s for an s polarization (6) q s = n s / cos θ s for a p-polarization (7) q = ncosθ F for an s-polarization (8) q = n / cosθ F for a p-polarization (9) φ = k · n · d cos (θ F ) (10) u (z) and v (z) can be expressed as: (u (z) | z = d = u | z = 0 cosφ + v | z = 0 (i / qsinφ) = cosφ + i.qs / qsinφ (11) and v (z) | z = d = iqu | z = 0 sinφ + v | z = 0 = cos iqsinφ q + s cos (12)
Daher gilt: für eine s-Polarisation mit φ = k·n·dcos(θF), und: gilt für eine p-Polarisation, wobei gilt: Therefore: for an s-polarization with φ = k · n · d cos (θ F ), and: applies to a p-polarization, where:
Somit gilt für eine einfache Situation, wobei θF = 0 oder ein senkrechter Einfall, φ = k·n·d und α = 0: was es ermöglicht, nach der Dicke ,d' aufzulösen, d. h. der Position oder Stelle innerhalb der dielektrischen Schicht, an der das elektrische Feld null ist.Thus, for a simple situation, where θ F = 0 or a perpendicular incidence, φ = k · n · d and α = 0: which makes it possible to solve for the thickness, d ', ie the position or location within the dielectric layer at which the electric field is zero.
Bezugnehmend auf 4 wurde die Gleichung 19 verwendet, um den elektrischen Feldpunkt von null oder nahe null in der in 2A gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht zu berechnen, wenn diese einer EMR mit einer Wellenlänge von 434 nm ausgesetzt ist. Der elektrische Feldpunkt von null oder nahe null wurde als 70 nm berechnet (statt 77 nm für eine Wellenlänge von 500 nm). Darüber hinaus wurde bei der Dicke oder dem Abstand von 70 nm ausgehend von der Al-Reflektorkernschicht eine 15 nm dicke Cr-Absorberschicht eingefügt, um eine ZnS-Cr-Schnittstelle eines elektrischen Feldes von null oder nahe null zu ermöglichen. Eine derartige erfinderische Struktur erlaubt Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm das Hindurchtreten durch die Cr-ZnS-Schnittstellen, absorbiert jedoch Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm. Anders ausgedrückt, besitzen die Cr-ZnS-Schnittstellen ein elektrisches Feld von null oder nahe null in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 434 nm, und somit gelangt Licht mit 434 nm durch die Schnittstellen. Die Cr-ZnS-Schnittstellen besitzen jedoch kein elektrisches Feld von null oder nahe null für Licht mit einer anderen Wellenlänge als 434 nm, und somit wird solches Licht von der Cr-Absorberschicht und/oder den Cr-ZnS-Schnittstellen absorbiert und nicht von der Al-Reflektorschicht reflektiert.Referring to 4 Equation 19 was used to calculate the electric field point from zero or near zero in the 2A ZnS dielectric layer when exposed to an EMR having a wavelength of 434 nm. The zero or near zero electric field point was calculated to be 70 nm (instead of 77 nm for a wavelength of 500 nm). Moreover, at the thickness or the distance of 70 nm from the Al reflector core layer, a 15 nm-thick Cr absorber layer was inserted to allow ZnS-Cr interface of electric field of zero or near zero. Such an inventive structure allows light having a wavelength of 434 nm to pass through the Cr-ZnS interfaces, but absorbs light having a wavelength other than 434 nm. In other words, the Cr-ZnS interfaces have a zero or near electric field zero with respect to light with a wavelength of 434 nm, and thus 434 nm light passes through the interfaces. However, the Cr-ZnS interfaces do not have zero or near zero electric field for light having a wavelength other than 434 nm, and thus such light is absorbed by the Cr absorber layer and / or the Cr-ZnS interfaces and not by the Al reflector layer reflected.
Es versteht sich, dass ein gewisser Prozentsatz von Licht innerhalb von +/–10 nm der gewünschten 434 nm durch die Cr-ZnS-Schnittstelle gelangen wird. Jedoch versteht sich auch, dass ein derart enges Band reflektierten Lichts, z. B. 434 +/– 10 nm, dennoch einem menschlichen Auge eine scharfe strukturelle Farbe zur Verfügung stellt.It is understood that a certain percentage of light will pass through the Cr-ZnS interface within +/- 10 nm of the desired 434 nm. However, it is also understood that such a narrow band of reflected light, e.g. 434 +/- 10 nm yet provides a sharp structural color to a human eye.
Das Ergebnis der Cr-Absorberschicht in dem mehrschichtigen Stapel in 4 ist in 5 veranschaulicht, wo die prozentuale Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge gezeigt ist. Wie durch die gestrichelte Linie gezeigt, die der in 4 gezeigten dielektrischen ZnS-Schicht ohne eine Cr-Absorberschicht entspricht, liegt bei etwa 400 nm ein enger Reflexionspeak vor, doch liegt ein viel breiterer Peak bei etwa 550+ nm vor. Darüber hinaus wird nach wie vor eine beträchtliche Menge Licht in dem Wellenlängenbereich von 500 nm reflektiert. Demzufolge liegt ein Doppel-Peak vor, der verhindert, dass der mehrschichtige Stapel eine strukturelle Farbe besitzt oder aufweist.The result of the Cr absorber layer in the multilayer stack in FIG 4 is in 5 Figure 4 illustrates where the percent reflection over the reflected EMR wavelength is shown. As shown by the dashed line, the in 4 At about 400 nm, there is a narrow reflection peak, but a much broader peak is at about 550+ nm. In addition, a considerable amount of light is still reflected in the wavelength range of 500 nm. As a result, there is a double peak which prevents the multilayer stack from having or having a structural color.
Dagegen entspricht die durchgehende Linie in 5 der in 4 gezeigten Struktur mit der vorhandenen Cr-Absorberschicht. Wie in der Figur gezeigt, liegt bei etwa 434 nm ein scharfer Peak vor, und für Wellenlängen größer als 434 nm wird durch die Cr-Absorberschicht ein starker Abfall der Reflexion bewirkt. Es versteht sich, dass der durch die durchgehende Linie dargestellte scharfe Peak visuell als eine scharfe/strukturelle Farbe erscheint. Auch veranschaulicht 5, wo die Breite eines Reflexionspeaks oder -bandes gemessen wird, d. h. die Breite des Bandes wird bei 50% Reflexion der maximal reflektierten Wellenlänge bestimmt, auch volle Halbwertsbreite (FWHM) genannt.In contrast, the solid line in 5 the in 4 shown structure with the existing Cr absorber layer. As shown in the figure, there is a sharp peak at about 434 nm, and for wavelengths larger than 434 nm, the Cr absorber layer causes a large decrease in reflectance. It is understood that the sharp peak represented by the solid line appears visually as a sharp / structural color. Also illustrated 5 where the width of a reflection peak or band is measured, ie the width of the band is determined at 50% reflection of the maximum reflected wavelength, also called full width at half maximum (FWHM).
Bezüglich des omnidirektionalen Verhaltens der in 4 gezeigten mehrschichtigen Struktur kann die Dicke der dielektrischen ZnS-Schicht derart gestaltet oder eingestellt sein, dass nur die ersten Harmonischen von reflektiertem Licht vorgesehen sind. Es versteht sich, dass dies für eine „blaue” Farbe ausreicht, doch erfordert die Erzeugung einer „roten” Farbe zusätzliche Erwägungen. Beispielsweise ist die Steuerung einer Winkelunabhängigkeit für rote Farbe schwierig, da dickere dielektrische Schichten erforderlich sind, was wiederum zu einer hoch-Harmonischen Gestaltung führt, d. h. das Vorliegen der zweiten und möglicher dritter Harmonischen ist unvermeidlich. Auch ist der Farbtonraum der dunkelroten Farbe sehr eng. Demzufolge besitzt ein mehrschichtiger Stapel einer roten Farbe eine höhere Winkelvarianz.Regarding the omnidirectional behavior of the 4 The thickness of the ZnS dielectric layer may be designed or adjusted such that only the first harmonics of reflected light are provided. It is understood that this is sufficient for a "blue" color, but the generation of a "red" color requires additional considerations. For example, control of angle independence for red color is difficult because thicker dielectric layers are required, which in turn results in a highly harmonic design, ie, the presence of the second and possible third harmonics is unavoidable. Also, the color space of the dark red color is very narrow. As a result, a multilayer stack of red color has a higher angular variance.
Um die höhere Winkelvarianz für rote Farbe zu überwinden, offenbart die vorliegende Anmeldung eine einzigartige und neuartige Gestaltung/Struktur, die eine rote Farbe ermöglicht, welche winkelunabhängig ist. Beispielsweise veranschaulicht 6A eine dielektrische Schicht, die erste und zweite Harmonische für einfallendes weißes Licht aufweist, wenn eine äußere Oberfläche der dielektrischen Schicht aus 0 und 45° relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche betrachtet wird. Wie durch die graphische Darstellung gezeigt, wird durch die Dicke der dielektrischen Schicht eine niedrige Winkelabhängigkeit (kleines Δλc) vorgesehen, doch weist ein derartiger mehrschichtiger Stapel eine Kombination aus blauer Farbe (1. Harmonische) und roter Farbe (2. Harmonische) auf und ist somit nicht für eine gewünschte „ausschließlich rote” Farbe geeignet. Daher wurde das Konzept/die Struktur der Verwendung einer Absorberschicht zum Absorbieren einer unerwünschten harmonischen Reihe entwickelt. 6A veranschaulicht auch ein Beispiel für die Lage der Reflexionsband-Mittelwellenlänge (λc) für einen gegebenen Reflexionspeak und die Verteilung oder Verschiebung der Mittelwellenlänge (Δλc), wenn die Probe aus 0 und 45° betrachtet wird.In order to overcome the higher angular variance for red color, the present application discloses a unique and novel design / structure that enables a red color that is angular independent. For example, illustrated 6A a dielectric layer having first and second harmonics for incident white light when an outer surface of the dielectric layer is viewed from 0 and 45 ° relative to the normal of the outer surface. As shown by the graph, a low angle dependence (small Δλ c ) is provided by the thickness of the dielectric layer, but such a multilayer stack has a combination of blue color (1st harmonic) and red color (2nd harmonic) is therefore not suitable for a desired "exclusively red" color. Therefore, the concept / structure of using an absorber layer to absorb an undesired harmonic series has been developed. 6A Figure 12 also illustrates an example of the position of the reflection band mean wavelength (λ c ) for a given reflection peak and the distribution or shift of the center wavelength (Δλ c ) when the sample is viewed from 0 and 45 °.
Bezugnehmend auf 6B wird die in 6A gezeigte zweite Harmonische mit einer Cr-Absorberschicht bei der geeigneten Dicke der dielektrischen Schicht (z. B. 72 nm) absorbiert, und eine scharfe blaue Farbe wird bereitgestellt. Auch veranschaulicht 6C, dass durch Absorbieren der ersten Harmonischen mit dem Cr-Absorber bei einer anderen Dicke der dielektrischen Schicht (z. B. 125 nm) eine rote Farbe bereitgestellt wird. Jedoch veranschaulicht 6C auch, dass die Verwendung der Cr-Absorberschicht noch zu mehr als einer gewünschten Winkelabhängigkeit durch den mehrschichtigen Stapel führen kann, d. h. einem größeren Δλc als gewünscht.Referring to 6B will the in 6A is absorbed with a Cr absorber layer at the appropriate thickness of the dielectric layer (e.g., 72 nm), and a sharp blue color is provided. Also illustrated 6C in that a red color is provided by absorbing the first harmonic with the Cr absorber at a different thickness of the dielectric layer (e.g., 125 nm). However illustrated 6C Also, that the use of the Cr absorber layer can still lead to more than a desired angle dependence by the multilayer stack, ie a larger Δλ c than desired.
Es versteht sich, dass die relativ große Verschiebung von λc für die rote Farbe im Vergleich zur blauen Farbe dadurch bedingt ist, dass der Farbtonraum der dunkelroten Farbe sehr eng ist, und durch die Tatsache, dass die Cr-Absorberschicht Wellenlängen in Verbindung mit einem von null verschiedenen elektrischen Feld absorbiert, d. h. kein Licht absorbiert, wenn das elektrische Feld null oder nahe null ist. Demzufolge veranschaulicht 7A, dass der Null- oder Nicht-Null-Punkt für Lichtwellenlängen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedlich ist. Derartige Faktoren führen zu der in 7B gezeigten winkelabhängigen Absorption, d. h. der Differenz der 0°- und 45°-Absorptionskurven. Somit wird, um die Gestaltung des mehrschichtigen Stapels und die Winkelunabhängigkeitsleistung weiter zu verfeinern, eine Absorberschicht verwendet, die z. B. blaues Licht unabhängig davon absorbiert, ob das elektrische Feld null ist oder nicht.It will be understood that the relatively large shift of λ c for the red color compared to the blue color is due to the fact that the color gamut of the dark red color is very narrow and due to the fact that the Cr absorber layer has wavelengths associated with a absorbed by zero different electric field, that is, no light absorbed when the electric field is zero or near zero. Accordingly illustrated 7A in that the zero or non-zero point is different for light wavelengths at different angles of incidence. Such factors lead to the in 7B shown angle-dependent absorption, ie the difference of the 0 ° and 45 ° absorption curves. Thus, to further refine the design of the multilayer stack and the angular independence performance, an absorber layer is used, e.g. B. blue light is absorbed regardless of whether the electric field is zero or not.
Insbesondere zeigt 8A einen mehrschichtigen Stapel mit einer Cu-Absorberschicht anstelle einer Cr-Absorberschicht, die sich über einer dielektrischen ZnS-Schicht erstreckt. Die Ergebnisse der Verwendung einer derartigen „farbigen” oder „selektiven” Absorberschicht sind in 8B gezeigt, die eine viel „engere” Gruppierung der 0°- und 45°-Absorptionslinien für den in 8A gezeigten mehrschichtigen Stapel aufzeigt. Demzufolge veranschaulicht ein Vergleich zwischen 8B und 7B die signifikante Verbesserung der Winkelunabhängigkeit der Absorption, wenn anstelle einer nicht-selektiven Absorberschicht eine selektive Absorberschicht verwendet wird.In particular shows 8A a multilayer stack having a Cu absorber layer instead of a Cr absorber layer extending over a ZnS dielectric layer. The results of using such a "colored" or "selective" absorber layer are in 8B shown a much "narrower" grouping of the 0 ° and 45 ° absorption lines for the in 8A shows shown multilayer stack. As a result, a comparison between 8B and 7B the significant improvement in the absorption angle independence when a selective absorber layer is used instead of a non-selective absorber layer.
Basierend auf dem Vorstehenden wurde eine Konzeptnachweis-Mehrschichtstapelstruktur entworfen und angefertigt. Darüber hinaus wurden Berechnungs/Simulationsergebnisse und tatsächliche experimentelle Daten für die Konzeptnachweisprobe verglichen. Insbesondere, und wie durch die graphische Darstellung in 9 gezeigt, wurde eine scharfe rote Farbe erzeugt (Wellenlängen größer als 700 nm werden vom menschlichen Auge typischerweise nicht gesehen), und es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Berechnung/Simulation und den aus der tatsächlichen Probe erhaltenen experimentellen Lichtdaten erhalten. Anders ausgedrückt, können Berechnungen/Simulationen verwendet werden und/oder werden verwendet, um die Ergebnisse von Mehrschichtstapelgestaltungen gemäß einer oder mehreren hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder mehrschichtigen Stapeln aus dem Stand der Technik zu simulieren.Based on the above, a concept proof multilayer stack structure was designed and manufactured. In addition, calculation / simulation results and actual experimental data for the concept proof sample were compared. In particular, and as represented by the graph in FIG 9 shown a sharp red color was produced (wavelengths greater than 700 nm are typically not seen by the human eye), and there was a very good agreement between the calculation / simulation and the experimental light data obtained from the actual sample. In other words, calculations / simulations may be used and / or used to simulate the results of multilayer stack designs according to one or more of the prior art embodiments and / or multilayer stacks disclosed herein.
10 zeigt eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der reflektierten EMR-Wellenlänge für eine andere Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors, wenn dieser weißem Licht mit Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Normalen der äußeren Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Wie durch die Darstellung gezeigt, stellen beide Kurven von 0° und 45° eine sehr geringe Reflexion dar, z. B. kleiner als 10%, die durch den omnidirektionalen Reflektor für Wellenlängen kleiner als 550 nm vorgesehen wird. Jedoch sieht der Reflektor, wie durch die Kurven gezeigt, einen starken Anstieg der Reflexion bei Wellenlängen zwischen 560–570 nm vor und erreicht ein Maximum von etwa 90% bei 700 nm. Es versteht sich, dass der Abschnitt oder Bereich des Graphen auf der rechten Seite (IR-Seite) der Kurve den IR-Abschnitt des durch den Reflektor vorgesehenen Reflexionsbandes darstellt. 10 Figure 4 shows a plot of percent reflection versus reflected EMR wavelength for another omnidirectional reflector design when exposed to white light at angles of 0 and 45 ° relative to the normal of the outer surface of the reflector. As shown by the illustration, both 0 ° and 45 ° curves represent very little reflection, e.g. B. less than 10%, which is provided by the omnidirectional reflector for wavelengths smaller than 550 nm. However, as shown by the curves, the reflector provides a large increase in reflection at wavelengths between 560-570 nm and reaches a maximum of about 90% at 700 nm. It is understood that the portion or region of the graph is on the right Side (IR side) of the curve represents the IR section of the reflection band provided by the reflector.
Der starke Anstieg der durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehenen Reflexion ist durch eine UV-seitige Grenze jeder Kurve gekennzeichnet, die sich von einem Abschnitt geringer Reflexion bei Wellenlängen unter 550 nm bis hin zu einem Abschnitt hoher Reflexion, z. B. > 70%, erstreckt. Ein linearer Abschnitt 200 der UV-seitigen Grenze ist in einem Winkel (β) größer als 60° relativ zu der x-Achse geneigt, besitzt eine Länge L von etwa 40 auf der Reflexionsachse und eine Neigung von 1,4. In einigen Fällen ist der lineare Abschnitt in einem Winkel größer als 70° relativ zu der x-Achse geneigt, während β in anderen Fällen größer als 75° ist. Auch besitzt das Reflexionsband eine sichtbare FWHM von weniger als 200 nm und in einigen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 150 nm und in anderen Fällen eine sichtbare FWHM von weniger als 100 nm. Darüber hinaus ist die Mittelwellenlänge λc für das in 10 veranschaulichte sichtbare Reflexionsband als die Wellenlänge mit gleichem Abstand zwischen der UV-seitigen Grenze des Reflexionsbandes und der IR-Grenze des IR-Spektrums bei der sichtbaren FWHM definiert.The sharp increase in reflection provided by the omnidirectional reflector is characterized by a UV-side boundary of each curve extending from a low-reflection portion at wavelengths below 550 nm to a high-reflectance portion, e.g. B.> 70%, extends. A linear section 200 the UV-side boundary is inclined at an angle (β) greater than 60 ° relative to the x-axis, has a length L of about 40 on the reflection axis, and an inclination of 1.4. In some cases, the linear portion is inclined at an angle greater than 70 ° relative to the x-axis, while in other cases β is greater than 75 °. Also, the reflection band has a visible FWHM of less than 200 nm and in some cases a visible FWHM of less than 150 nm and in other cases a visible FWHM of less than 100 nm. In addition, the center wavelength λ c for the in 10 illustrated visible reflection band defined as the wavelength equidistant between the UV-side boundary of the reflection band and the IR-boundary of the IR spectrum at the visible FWHM.
Es versteht sich, dass sich der Begriff „sichtbare FWHM” auf die Breite des Reflexionsbandes zwischen der UV-seitigen Grenze der Kurve und der Grenze des IR-Spektrum-Bereichs bezieht, über welche hinaus eine durch den omnidirektionalen Reflektor vorgesehene Reflexion für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Auf diese Weise verwenden die hierin offenbarten erfinderischen Gestaltungen und mehrschichtigen Stapel den nicht-sichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um eine scharfe oder strukturelle Farbe bereitzustellen. Anders ausgedrückt, nutzen die hierin offenbarten omnidirektionalen Reflektoren den nichtsichtbaren IR-Abschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, um ein enges Band reflektierten sichtbaren Lichts bereitzustellen, ungeachtet der Tatsache, dass die Reflektoren ein viel breiteres Band elektromagnetischer Strahlung reflektieren können, das sich in den IR-Bereich erstreckt.It will be understood that the term "visible FWHM" refers to the width of the reflection band between the UV boundary of the curve and the boundary of the IR spectrum region, beyond which reflection provided by the omnidirectional reflector to the human eye is not visible. In this way, the inventive designs and multilayer stacks disclosed herein utilize the non-visible IR portion of the electromagnetic radiation spectrum to provide a sharp or structural color. In other words, the omnidirectional reflectors disclosed herein utilize the non-visible IR portion of the electromagnetic radiation spectrum to provide a narrow band of reflected visible light, despite the fact that the reflectors can reflect a much wider band of electromagnetic radiation extending into the IR region extends.
Unter Bezugnahme auf 11 ist eine Darstellung der prozentualen Reflexion über der Wellenlänge für eine andere siebenschichtige Gestaltung eines omnidirektionalen Reflektors gezeigt, wenn dieser weißem Licht bei Winkeln von 0 und 45° relativ zu der Oberfläche des Reflektors ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist eine Definition oder Charakterisierung von omnidirektionalen Eigenschaften gezeigt, die durch hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren bereitgestellt werden. Insbesondere, und wenn das durch einen erfinderischen Reflektor bereitgestellte Reflexionsband ein Maximum besitzt, d. h. einen Peak wie in der Figur gezeigt, hat jede Kurve eine Mittelwellenlänge (λc), die als diejenige Wellenlänge definiert ist, die eine maximale Reflexion aufweist oder erfährt. Der Begriff maximal reflektierte Wellenlänge kann auch für λc verwendet werden.With reference to 11 Figure 4 is a plot of percent reflection versus wavelength for another seven-layered omnidirectional reflector design when exposed to white light at angles of 0 and 45 degrees relative to the surface of the reflector. In addition, a definition or characterization of omnidirectional properties provided by omnidirectional reflectors disclosed herein is shown. In particular, and when the reflection band provided by an inventive reflector has a maximum, ie, a peak as shown in the figure, each curve has a center wavelength (λ c ) which is defined as the wavelength having or receiving maximum reflection. The term maximum reflected wavelength can also be used for λ c .
Wie in 11 gezeigt, erfolgt eine Verschiebung oder Verlagerung von λc, wenn eine äußere Oberfläche des omnidirektionalen Reflektors aus einem 45°-Winkel (λc(45°)) betrachtet wird, z. B. wenn die äußere Oberfläche relativ zu einem auf die Oberfläche blickenden menschlichen Auge um 45° geneigt ist, im Vergleich zu dem Fall, dass die Oberfläche aus einem Winkel von 0° (λc(0°)) betrachtet wird, d. h. senkrecht zu der Oberfläche. Diese Verschiebung von λc (Δλc) stellt ein Maß für die omnidirektionale Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors bereit. Normalerweise wäre eine Verschiebung von null, d. h. überhaupt keine Verschiebung, ein perfekt omnidirektionaler Reflektor. Jedoch können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλc von weniger als 50 nm bereitstellen, was dem menschlichen Auge so vorkommen mag, als ob sich die Farbe der Oberfläche des Reflektors nicht verändert hat, und somit ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein Δλc von weniger als 40 nm bereitstellen, in anderen Fällen ein Δλc von weniger als 30 nm und in wieder anderen Fällen ein Δλc von weniger als 20 nm und in noch anderen Fällen ein Δλc von weniger als 15 nm. Eine derartige Verschiebung von Δλc lässt sich durch eine Darstellung der tatsächlichen Reflexion über der Wellenlänge für einen Reflektor bestimmen und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und Schichtdicken bekannt sind.As in 11 Shown is a displacement or displacement of λ c , when an outer surface of the omnidirectional reflector from a 45 ° angle (λ c (45 °)) is considered, z. When the outer surface is inclined at 45 ° relative to a human eye looking at the surface, compared to when the surface is viewed from an angle of 0 ° (λ c (0 °)), that is, perpendicular to the surface. This shift of λ c (Δλ c ) provides a measure of the omnidirectional nature of the omnidirectional reflector. Normally, zero displacement, that is, no displacement at all, would be a perfectly omnidirectional reflector. However, omnidirectional reflectors disclosed herein may provide a Δλ c of less than 50 nm, which may appear to the human eye as if the color of the surface of the reflector has not changed, and thus, in practical terms, the reflector is omnidirectional. In some cases, omnidirectional reflectors disclosed herein may provide a Δλ c of less than 40 nm, in other cases a Δλ c of less than 30 nm and in still other cases a Δλ c of less than 20 nm and in yet other cases a Δλ c of less than 15 nm. Such a shift of Δλ c can be determined by a plot of the actual reflection versus wavelength for a reflector and / or alternatively by modeling the reflector if the materials and layer thicknesses are known.
Eine andere Definition oder Charakterisierung der omnidirektionalen Eigenschaften eines Reflektors kann durch die Verschiebung einer seitlichen Grenze für einen gegebenen Satz von Winkelreflexionsbändern bestimmt werden. Beispielsweise und bezugnehmend auf 11 stellt eine Verschiebung oder Verlagerung einer UV-seitigen Grenze (ΔSUV) für eine Reflexion von einem omnidirektionalen Reflektor, der aus 0° (SUV(0°)) betrachtet wird, im Vergleich zur UV-seitigen Grenze für eine Reflexion durch denselben Reflektor, der aus 45° (SUV(45°)) betrachtet wird, ein Maß für die omnidirektionale Beschaffenheit des omnidirektionalen Reflektors bereit. Es versteht sich, dass die Verschiebung der UV-seitigen Grenze (ΔSUV) bei der sichtbaren FWHM gemessen wird und/oder werden kann.Another definition or characterization of the omnidirectional properties of a reflector can be determined by shifting a lateral boundary for a given set of angular reflection bands. For example, and with reference to 11 represents a shift or shift of a UV-side limit (ΔS UV ) for reflection from an omnidirectional reflector viewed from 0 ° (S UV (0 °)) compared to the UV-side limit for reflection by the same reflector Being viewed from 45 ° (S UV (45 °)) provides a measure of the omnidirectional nature of the omnidirectional reflector. It is understood that the shift in the UV-side limit (ΔS UV ) at the visible FWHM is measured and / or can be measured.
Normalerweise würde eine Verschiebung von null, d. h. überhaupt keine Verschiebung (ΔSUV = 0 nm), einen perfekt omnidirektionalen Reflektor kennzeichnen. Jedoch können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔSUV von weniger als 50 nm bereitstellen, was dem menschlichen Auge so vorkommen mag, als ob sich die Farbe der Oberfläche des Reflektors nicht verändert hat, und somit ist der Reflektor praktisch gesehen omnidirektional. In einigen Fällen können hierin offenbarte omnidirektionale Reflektoren ein ΔSUV von weniger als 40 nm bereitstellen, in anderen Fällen ein ΔSUV von weniger als 30 nm und in wieder anderen Fällen ein ΔSUV von weniger als 20 nm und in noch anderen Fällen ein ΔSUV von weniger als 15 nm. Eine derartige Verschiebung von ΔSUV kann durch eine Darstellung der tatsächlichen Reflexion über der Wellenlänge für einen Reflektor bestimmt werden und/oder alternativ durch Modellieren des Reflektors, falls die Materialien und Schichtdicken bekannt sind.Normally, a zero shift, ie no shift at all (ΔS UV = 0 nm), would signify a perfectly omnidirectional reflector. However, omnidirectional reflectors disclosed herein may provide a ΔS UV of less than 50 nm, which may appear to the human eye as if the color of the surface of the reflector has not changed, and thus, in practical terms, the reflector is omnidirectional. In some instances, omnidirectional reflectors disclosed herein may provide a ΔS UV of less than 40 nm, in other cases a ΔS UV of less than 30 nm and in still other cases a ΔS UV of less than 20 nm and in yet other cases a ΔS UV less than 15 nm. Such Shifting ΔS UV can be determined by a plot of the actual reflection versus wavelength for a reflector and / or alternatively by modeling the reflector if the materials and layer thicknesses are known.
Die Verschiebung einer omnidirektionalen Reflexion kann auch durch eine geringe Farbtonverschiebung gemessen werden. Beispielsweise beträgt die Farbtonverschiebung von Pigmenten, die aus mehrschichtigen Stapeln gemäß einem hierin offenbarten Aspekt gefertigt sind, 30° oder weniger, wie in 12 gezeigt (s. z. B. Δθ1), und in einigen Fällen beträgt die Farbtonverschiebung 25° oder weniger, bevorzugt weniger als 20°, stärker bevorzugt weniger als 15° und noch stärker bevorzugt weniger als 10°. Dagegen weisen herkömmliche Pigmente eine Farbtonverschiebung von 45° oder mehr auf (s. z. B. Δθ2). Es versteht sich, dass die mit 6,01 verbundene Farbtonverschiebung allgemein einer roten Farbe entspricht, doch ist die geringe Farbtonverschiebung für jede Farbe relevant, die durch ein hierin offenbartes Hybridpigment einer omnidirektionalen strukturellen Farbe reflektiert wird.The shift of an omnidirectional reflection can also be measured by a slight hue shift. For example, the hue shift of pigments made of multilayer stacks according to an aspect disclosed herein is 30 ° or less, as in FIG 12 (eg, Δθ 1 ), and in some cases, the hue shift is 25 ° or less, preferably less than 20 °, more preferably less than 15 °, and even more preferably less than 10 °. In contrast, conventional pigments have a hue shift of 45 ° or more (eg Δθ 2 ). It is understood that the hue shift associated with 6.01 generally corresponds to a red color, but the low hue shift is relevant to any color reflected by a hybrid pigment of omnidirectional structural color disclosed herein.
Eine schematische Darstellung eines omnidirektionalen mehrschichtigen Stapels gemäß einem anderen hierin offenbarten Aspekt ist in 13A mit Bezugszeichen 10 gezeigt. Der mehrschichtige Stapel 10 besitzt eine erste Schicht 110 und eine zweite Schicht 120. Eine optionale Reflektorschicht 100 kann beinhaltet sein. Beispielhafte Materialien für die Reflektorschicht 100, mitunter als eine Reflektorkernschicht bezeichnet, können Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn und Legierungen hieraus beinhalten, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Demzufolge kann die Reflektorschicht 100 eine metallische Reflektorschicht sein, muss jedoch nicht. Darüber hinaus liegen beispielhafte Dicken für die Kernreflektorschicht im Bereich zwischen 30 und 200 nm.A schematic representation of an omnidirectional multilayer stack according to another aspect disclosed herein is disclosed in U.S.P. 13A with reference number 10 shown. The multilayer stack 10 owns a first layer 110 and a second layer 120 , An optional reflector layer 100 can be included. Exemplary materials for the reflector layer 100 , sometimes referred to as a reflector core layer, may include, but is not limited to, Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au, Sn, and alloys thereof. As a result, the reflector layer 100 a metallic reflector layer, but not necessarily. In addition, exemplary thicknesses for the core reflector layer range between 30 and 200 nm.
Ein symmetrisches Paar von Schichten kann sich auf einer der Reflektorschicht 100 gegenüberliegenden Seite befinden, d. h. die Reflektorschicht 100 kann eine weitere erste Schicht aufweisen, die gegenüberliegend zu der ersten Schicht 110 derart angeordnet ist, dass die Reflektorschicht 100 sandwichartig zwischen einem Paar von ersten Schichten angeordnet ist. Darüber hinaus kann eine weitere zweite Schicht 120 gegenüberliegend zu der Reflektorschicht 100 derart angeordnet sein, dass eine fünfschichtige Struktur bereitgestellt wird. Daher sollte verstanden werden, dass die Erörterung der hierin vorgesehenen mehrschichtigen Stapel auch die Möglichkeit einer Spiegelstruktur in Bezug auf eine oder mehrere zentrale Schichten beinhaltet. Demzufolge kann 13A zur Veranschaulichung einer Hälfte eines fünfschichtigen Mehrschichtstapels dienen.A symmetric pair of layers may be on one of the reflector layers 100 located opposite side, ie the reflector layer 100 may comprise a further first layer, which is opposite to the first layer 110 is arranged such that the reflector layer 100 sandwiched between a pair of first layers. In addition, another second layer 120 opposite to the reflector layer 100 be arranged such that a five-layer structure is provided. Therefore, it should be understood that the discussion of the multilayer stacks provided herein also includes the possibility of a mirror structure with respect to one or more central layers. As a result, can 13A to illustrate one half of a five-layer multilayer stack.
Im Unterschied zu den oben erörterten Aspekten kann die erste Schicht 110 eine Absorberschicht sein, z. B. eine Halbleiterabsorberschicht mit einer Dicke zwischen 5 und einschließlich 500 nm. Die Halbleiterabsorberschicht 110 kann aus amorphem Si oder Ge hergestellt sein und kann elektromagnetische Strahlung wie in 14A veranschaulicht derart absorbieren, dass Wellenlängen von weniger als im Allgemeinen 550–575 nm eine Reflexion von weniger als 15–20% besitzen. Die zweite Schicht 120 kann eine dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex mit einer Dicke sein, die die Reflexion von Wellenlängen größer als im Allgemeinen 575–600 nm ermöglicht, welche einem Farbton zwischen 0–40° und vorzugsweise zwischen 10–30° im a*b*-Lab-Farbraumdiagramm entsprechen. Darüber hinaus ist die Chroma für das Reflexionsband sichtbaren Lichts größer als 70, vorzugsweise größer als 80 und stärker bevorzugt größer oder gleich 90. Das Reflexionsspektrum eines derartigen in 13A gezeigten mehrschichtigen Stapels mit in nachstehender Tabelle 1 aufgeführten Dicken ist in 14A veranschaulichend für Betrachtungswinkel von 0° und 45° gezeigt. Wie in der Figur gezeigt, beträgt die Verschiebung der Mittelwellenlänge weniger als 50 nm, vorzugsweise weniger als 30 nm und noch stärker bevorzugt weniger als 20 nm. Darüber hinaus versteht sich, dass auch die UV-Seite des Reflexionsbandes eine sehr geringe Verschiebung besitzt. In Kombination mit der Breite des Bandes im sichtbaren Spektrum entspricht die Verschiebung des Reflexionsbandes zwischen Winkeln von 0 und 45° einer für das menschliche Auge nicht wahrnehmbaren Farbveränderung. Tabelle 1 Schicht Material Dicke (nm)
100 Al 80
110 amorphes Si 300
120 ZnS oder TiO2 44
In contrast to the aspects discussed above, the first layer 110 be an absorber layer, for. B. a semiconductor absorber layer having a thickness between 5 and 500 nm inclusive. The semiconductor absorber layer 110 can be made of amorphous Si or Ge and can use electromagnetic radiation as in 14A Illustratively, such that wavelengths less than generally 550-575 nm have a reflectivity of less than 15-20%. The second layer 120 may be a high refractive index dielectric layer having a thickness that allows reflection of wavelengths greater than generally 575-600 nm, which is a hue between 0-40 ° and preferably between 10-30 ° in the a * b * mode. Correspond to color space diagram. In addition, the chroma for the visible light reflection band is greater than 70, preferably greater than 80, and more preferably greater than or equal to 90. The reflectance spectrum of such in FIG 13A shown multilayer stack having thicknesses listed in Table 1 below is in 14A Illustratively shown for viewing angles of 0 ° and 45 °. As shown in the figure, the shift of the center wavelength is less than 50 nm, preferably less than 30 nm and even more preferably less than 20 nm. Moreover, it is understood that the UV side of the reflection band has a very small displacement. In combination with the width of the band in the visible spectrum, the shift of the reflection band between angles of 0 and 45 ° corresponds to a color change imperceptible to the human eye. Table 1 layer material Thickness (nm)
100 al 80
110 amorphous Si 300
120 ZnS or TiO 2 44
Ein anderer Aspekt einer omnidirektionalen roten strukturellen Farbe hoher Chroma in Form eines mehrschichtigen Stapels ist in 13B mit Bezugszeichen 12 gezeigt. Der Aspekt 12 ähnelt dem in 13A gezeigten Aspekt 10 mit Ausnahme einer zusätzlichen Absorberschicht 112, die sich über der dielektrischen Schicht 120 mit hohem Brechungsindex erstreckt, und einer zusätzlichen dielektrischen Schicht 122 mit hohem Brechungsindex, die sich über der zweiten Absorberschicht 112 erstreckt. Die Absorberschicht 112 kann gleich oder verschieden von der Absorberschicht 110 sein, d. h. die Schicht 112 kann aus amorphem Si, Ge, etc. hergestellt sein. Auch kann die zweite dielektrische Schicht 122 gleich oder verschieden von der ersten dielektrischen Schicht 120 sein. Es versteht sich, dass 13B der Veranschaulichung einer Hälfte eines 9-schichtigen Stapels dienen kann, wobei die Reflektorschicht 100 eine zentrale oder Kern-Reflektorschicht ist, welche sandwichartig zwischen den in der Figur gezeigten Schichten 110, 120, 112, 122 und einer dazu gegenüberliegend angeordneten Gruppe von Schichten 110, 120, 112, 122 angeordnet ist.Another aspect of a high chroma omnidirectional red structural color in the form of a multilayer stack is shown in FIG 13B with reference number 12 shown. The aspect 12 is similar to the one in 13A shown aspect 10 with the exception of an additional absorber layer 112 that are above the dielectric layer 120 extends with high refractive index, and an additional dielectric layer 122 high refractive index, which is located above the second absorber layer 112 extends. The absorber layer 112 may be the same or different from the absorber layer 110 be, ie the layer 112 may be made of amorphous Si, Ge, etc. Also, the second dielectric layer 122 the same or different from the first dielectric layer 120 be. It is understood that 13B can serve to illustrate one half of a 9-layer stack, wherein the reflector layer 100 is a central or core reflector layer which sandwiches between the layers shown in the figure 110 . 120 . 112 . 122 and an oppositely arranged group of layers 110 . 120 . 112 . 122 is arranged.
Ein Reflexionsspektrum des in 13B gezeigten mehrschichtigen Stapels mit in nachstehender Tabelle 2 gezeigten Schichtdicken ist in 14B gezeigt. Wie in dieser Figur gezeigt, ist die Verschiebung der Wellenlänge zwischen Betrachtungswinkeln von 0 und 45° senkrecht zu einer äußeren Oberfläche des mehrschichtigen Stapels, für den eine Reflexion von 70% gezeigt ist, relativ gering. Beispielsweise kann die Verschiebung der Wellenlänge weniger als 50 nm, vorzugsweise weniger als 30 nm und stärker bevorzugt weniger als 20 nm betragen. Erneut erfolgt diese Verschiebung im sichtbaren Spektrum als eine für das menschliche Auge nicht wahrnehmbare Farbverschiebung. Alternativ werden die omnidirektionalen Eigenschaften durch die in der Figur gezeigte geringe oder kleine Verschiebung der UV-seitigen Grenze des Reflexionsspektrums (ΔSUV) gezeigt oder beschrieben. Tabelle 2 Schicht Material Dicke (nm)
100 Al 80
110 amorphes Si 155
120 ZnS oder TiO2 35
A reflection spectrum of in 13B The multilayer stack shown in FIG. 2 having the layer thicknesses shown in FIG 14B shown. As shown in this figure, the shift in wavelength between viewing angles of 0 and 45 ° perpendicular to an outer surface of the multilayer stack, for which a reflection of 70% is shown, is relatively small. For example, the shift in wavelength may be less than 50 nm, preferably less than 30 nm, and more preferably less than 20 nm. Again, this shift occurs in the visible spectrum as a color shift that is imperceptible to the human eye. Alternatively, the omnidirectional properties are shown or described by the small or small shift in the UV-side limit of the reflection spectrum (ΔS UV ) shown in the figure. Table 2 layer material Thickness (nm)
100 al 80
110 amorphous Si 155
120 ZnS or TiO 2 35
15 zeigt eine Absorption über der Wellenlänge für die in 13A gezeigte Gestaltung. Wie in dieser Figur gezeigt, absorbiert der mehrschichtige Stapel 10 über 80% des sichtbaren Lichtspektrums für Wellenlängen von bis zu etwa 550 nm. Darüber hinaus absorbiert der Aspekt 10 mehr als 40% aller Wellenlängen von bis zu 600 nm. 15 shows an absorption over the wavelength for the in 13A shown design. As shown in this figure, the multilayer stack absorbs 10 over 80% of the visible light spectrum for wavelengths up to about 550 nm. In addition, the aspect absorbs 10 more than 40% of all wavelengths up to 600 nm.
Demzufolge stellt eine Kombination aus der absorbierenden Schicht 110 und der dielektrischen Schicht 120 ein sichtbares Reflexionsband mit einem Farbton zwischen 0–40° und vorzugsweise zwischen 10–30° im a*b*-Lab-Farbraum, d. h. reflektierte Wellenlängen im roten Farbspektrum, bereit.As a result, a combination of the absorbent layer 110 and the dielectric layer 120 a visible reflection band with a hue between 0-40 ° and preferably between 10-30 ° in the a * b * -Lab color space, ie reflected wavelengths in the red color spectrum, ready.
Eine graphische Darstellung für den Aspekt 10 ist in 16 in Abhängigkeit von prozentualer Reflexion, reflektierter Wellenlänge und Betrachtungswinkel gezeigt. Wie in diesem 3D-Konturdiagramm gezeigt, ist die Reflexion sehr gering, d. h. weniger als 20% für Wellenlängen zwischen 400–550–575 nm und Betrachtungswinkel zwischen 0–45–50°. Jedoch liegt bei einer Wellenlänge von etwa 600 nm ein starker Anstieg der prozentualen Reflexion vor.A graphic representation for the aspect 10 is in 16 as a function of percent reflection, reflected wavelength and viewing angle. As shown in this 3D contour plot, the reflectance is very low, ie less than 20% for wavelengths between 400-550-575 nm and viewing angles between 0-45-50 °. However, at a wavelength of about 600 nm, there is a large increase in the percent reflection.
Eine andere Methode oder Technik zum Beschreiben der omnidirektionalen Eigenschaften der hierin offenbarten erfinderischen Mehrschichtstapel ist eine Darstellung der Chroma und des Farbtons über dem Betrachtungswinkel, wie in 17 gezeigt. 17 veranschaulicht die Reflexionseigenschaften des in 13A gezeigten Aspekts, bei dem der Farbton für Winkel zwischen 0 und 45° zwischen 20–30 beträgt und eine Veränderung oder Verschiebung von weniger als 10° besitzt. Darüber hinaus beträgt die Chroma zwischen 80–90 für alle Betrachtungswinkel zwischen 0–45°, wenn die Chroma (C*) als C* = √a*² + b*² definiert ist, wobei a* und b* die Koordinaten im Lab-Farbraum oder -diagramm für die durch einen mehrschichtigen Stapel reflektierte Farbe sind, wenn dieser elektromagnetischer Breitbandstrahlung, z. B. weißem Licht, ausgesetzt ist.Another method or technique for describing the omnidirectional properties of the inventive multilayer stacks disclosed herein is a representation of chroma and hue over the viewing angle, as in FIG 17 shown. 17 illustrates the reflection properties of in 13A shown aspect, wherein the hue for angles between 0 and 45 ° between 20-30 and has a change or shift of less than 10 °. In addition, the chroma is between 80-90 for all viewing angles between 0-45 ° when the chroma (C *) as C * = √ a * ² + b * ² where a * and b * are the coordinates in the Lab color space or chart for the color reflected by a multilayer stack when this broadband electromagnetic radiation, e.g. B. white light is exposed.
18 zeigt oder stellt den Farbton der in den 13A (mit ,A' gekennzeichnet) und 13B (mit ,B' gekennzeichnet) gezeigten Aspekte in einem a*b*-Lab-Farbraumdiagramm dar. In dem Diagramm ist auch der Bereich zwischen 15–40° gezeigt. Es versteht sich, dass diese beiden Punkte für einen Betrachtungswinkel von 0° bezogen auf die Normale einer äußeren Oberfläche der mehrschichtigen Stapel veranschaulicht sind. Darüber hinaus versteht sich, dass sich der Farbton für die in den 13A und 13B gezeigten Aspekte zwischen Betrachtungswinkeln von 0–45° nicht aus dem Farbtonbereich von 15–40° herausbewegt. Anders ausgedrückt, zeigen die Aspekte eine geringe Farbtonverschiebung, beispielsweise weniger als 30°, vorzugsweise weniger als 20° und noch stärker bevorzugt weniger als 10°. Es versteht sich noch dazu, dass die in den 13A und 13B gezeigten Aspekte auch derart gestaltet sein können, dass ein einzelnes Band sichtbaren Lichts mit einem Farbton zwischen 0–40° vorgesehen ist und in 18 eingezeichnet werden kann, und zwar vorzugsweise ein einzelnes Band sichtbaren Lichts mit einem Farbton zwischen 10–30°. 18 shows or sets the hue in the 13A (marked with 'A') and 13B (shown with 'B') in an a * b * Lab color space diagram. The graph also shows the range between 15-40 °. It should be understood that these two points are illustrated for a viewing angle of 0 ° with respect to the normal of an outer surface of the multilayer stacks. In addition, it is understood that the color tone for the in the 13A and 13B Aspects between viewing angles of 0-45 ° are not moved out of the hue range of 15-40 °. In other words, the aspects show a slight hue shift, for example, less than 30 °, preferably less than 20 °, and even more preferably less than 10 °. It goes without saying that the in the 13A and 13B shown aspects can also be designed such that a single band of visible light is provided with a hue between 0-40 ° and in 18 can be drawn, preferably a single band of visible light with a hue between 10-30 °.
Bezugnehmend auf 19 ist ein Verfahren zur Fertigung einer omnidirektionalen roten strukturellen Farbe hoher Chroma allgemein mit Bezugszeichen 20 gezeigt. Das Verfahren 20 beinhaltet Trockenabscheiden einer reflektierenden Kernschicht in Schritt 202, gefolgt von Trockenabscheiden einer Halbleiterabsorberschicht auf der trocken abgeschiedenen reflektierenden Kernschicht in Schritt 210. Danach wird in Schritt 220 eine dielektrische Schicht mit hohem Brechungsindex auf der trocken abgeschiedenen Halbleiterabsorberschicht nass abgeschieden. Es versteht sich, dass die Schritte 210 und 220 wiederholt werden können, um auf der trocken abgeschiedenen reflektierenden Kernschicht zusätzliche Schichten zu erzeugen. Darüber hinaus kann die trocken abgeschiedene reflektierende Kernschicht auf der Halbleiterabsorberschicht abgeschieden werden, genau wie die nass abgeschiedene dielektrische Schicht.Referring to 19 FIG. 13 is a method of fabricating an omnidirectional high chroma red structural color generally with reference numerals 20 shown. The procedure 20 involves dry depositing a reflective core layer in step 202 followed by dry depositing a semiconductor absorber layer on the dry deposited reflective core layer in step 210 , After that, in step 220 depositing a high refractive index dielectric layer on the dry deposited semiconductor absorber layer. It is understood that the steps 210 and 220 can be repeated to produce additional layers on the dry deposited reflective core layer. In addition, the dry deposited core reflective layer may be deposited on the semiconductor absorber layer, as well as the wet deposited dielectric layer.
Eine nicht erschöpfende Aufstellung von Materialien, aus denen die trocken abgeschiedenen dielektrischen nh-Schichten hergestellt sein können, ist in nachstehender Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Materialien mit Brechungsindex (sichtbarer Bereich) Materialien mit Brechungsindex (sichtbarer Bereich)
Material Brechungsindex Material Brechungsindex
Germanium (Ge) 4,0–5,0 Chrom (Cr) 3,0
Tellurium (Te) 4,6 Zinnsulfid (SnS) 2,6
Galliumantimonid (GaSb) 4,5–5,0 niedrigporöses Si 2,56
Indiumarsenid (InAs) 4,0 Chalkogenidglas 2,6
Silizium (Si) 3,7 Ceroxid (CeO2) 2,53
Indiumphosphat (InP) 3,5 Wolfram (W) 2,5
Galliumarsenat (GaAs) 3,53 Galliumnitrid (GaN) 2,5
Galliumphosphat (GaP) 3,31 Mangan (Mn) 2,5
Vanadium (V) 3 Nioboxid (Nb2O3) 2,4
Arsenselenid (As2Se3) 2,8 Zinktellurid (ZnTe) 3,0
CuAlSe2 2,75 Chalkogenidglas + Ag 3,0
Zinkselenid (ZnSe) 2,5–2,6 Zinksulfid (ZnS) 2,5–3,0
Titandioxid (TiO2) – Sol-Gel 2,36 Titandioxid (TiO2) – im Vakuum abgeschieden 2,43
SnO2 2,0 Hafniumoxid (HfO2) 2,0
Zinksulfid (ZnS) 2,3 + i(0,015) Nioboxid (Nb2O5) 2,1
Titannitrid (TiN) 1,5 + i(2,0) Aluminium (Al) 2,0 + i(15)
Chrom (Cr) 2,5 + i(2,5) Siliziunmitrid (SiN) 2,1
Niobpentoxid (Nb2O5) 2,4 Zirkonoxid (ZrO2) 2,36
Hafniumoxid (HfO2) 1,9–2,0
A non-exhaustive list of materials from which the dry deposited dielectric layers n h may be produced is shown in Table 3 below. Table 3 Materials with refractive index (visible range) Materials with refractive index (visible range)
material refractive index material refractive index
Germanium (Ge) 4.0-5.0 Chrome (Cr) 3.0
Tellurium (Te) 4.6 Tin sulfide (SnS) 2.6
Gallium antimonide (GaSb) 4.5-5.0 low porosity Si 2.56
Indium arsenide (InAs) 4.0 chalcogenide 2.6
Silicon (Si) 3.7 Cerium oxide (CeO 2 ) 2.53
Indium phosphate (InP) 3.5 Tungsten (W) 2.5
Gallium arsenate (GaAs) 3.53 Gallium nitride (GaN) 2.5
Gallium phosphate (GaP) 3.31 Manganese (Mn) 2.5
Vanadium (V) 3 Niobium oxide (Nb 2 O 3 ) 2.4
Arsenic selenide (As 2 Se 3 ) 2.8 Zinc telluride (ZnTe) 3.0
CuAlSe 2 2.75 Chalcogenide glass + Ag 3.0
Zinc selenide (ZnSe) 2.5-2.6 Zinc sulfide (ZnS) 2.5-3.0
Titanium dioxide (TiO 2 ) - sol-gel 2.36 Titanium dioxide (TiO 2 ) - deposited in a vacuum 2.43
SnO 2 2.0 Hafnium oxide (HfO 2 ) 2.0
Zinc sulfide (ZnS) 2.3 + i (0.015) Niobium oxide (Nb 2 O 5 ) 2.1
Titanium nitride (TiN) 1.5 + i (2.0) Aluminum (Al) 2.0 + i (15)
Chrome (Cr) 2.5 + i (2.5) Silicon nitride (SiN) 2.1
Niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ) 2.4 Zirconium oxide (ZrO 2 ) 2.36
Hafnium oxide (HfO 2 ) 1.9-2.0
Die obigen Beispiele und Aspekte dienen lediglich Veranschaulichungszwecken, und Veränderungen, Modifikationen und dergleichen erschließen sich Fachleuten und fallen noch in den Schutzbereich der Erfindung. Demzufolge wird der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche und alle Äquivalente davon definiert.The above examples and aspects are for illustrative purposes only, and variations, modifications, and the like will be apparent to those skilled in the art and still fall within the scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention is defined by the claims and all equivalents thereof.
